姚全福，劉 穎，王雪峰

（1.呼和浩特民族學院化學與環(huán)境學院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.中央民族大學生命與環(huán)境科學學院，北京100081；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)動物疫病預防控制中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

隨著我國現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)及農(nóng)畜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，畜牧養(yǎng)殖業(yè)尤其是奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展進入“快車道”。截至2019年，內(nèi)蒙古自治區(qū)肉、奶牛養(yǎng)殖數(shù)量達626.08萬頭［1］，比上一年增長了1.27%，養(yǎng)殖糞污與廢水排放量呈與日俱增的趨勢。奶牛養(yǎng)殖業(yè)污水中含有大量的獸藥、重金屬等有毒有害污染物和微生物，可引發(fā)多種人畜共患病，也會對環(huán)境造成污染。牛糞是奶牛養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)出量較大的排泄物。根據(jù)測定，1頭體重為500～600 kg的奶牛每天的排糞量為30～50 kg，尿量為15～25 kg，污水量為15～20 L［2］；對牛糞的資源化利用以及廢水的有效處理，不僅可以消納養(yǎng)殖污染、減少養(yǎng)殖糞便與污水對人類及環(huán)境健康的危害，還可以“變廢為寶”，達到“以廢治廢”的目的，是一種具有環(huán)保和經(jīng)濟雙重效益的處理方法。

1 牛糞的資源化利用

隨著現(xiàn)代奶牛養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，養(yǎng)殖業(yè)廢棄物的合理處置及資源化利用問題備受關注。目前，對牛糞的處理與再利用方面有了一定的探索與突破（圖1）［3］，在飼料、能源和肥料等粗產(chǎn)品轉(zhuǎn)化方面尤為顯著。牛糞同其他禽畜糞便一樣，含有機質(zhì)14.5%～15.0%，氮（N）0.30%～0.45%，磷（P2O5）0.15%～0.25%，鉀（K2O）0.10%～0.15%，是一種很好的生物質(zhì)資源［4］。因此，通過不同處理技術和工藝，開發(fā)高效資源化的牛糞增值產(chǎn)品，對牛糞的無害化處理與奶牛養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟價值。

圖1 牛糞的綜合利用Fig.1 Comprehensive utilization of cow dung

1.1 能源化利用 在內(nèi)蒙古、新疆和西藏等地區(qū)，牧民把牛糞直接作為燃料用來做飯和取暖，這是糞便直接作能源的最簡單方法，但是利用不夠充分，且燃燒易造成空氣二次污染。集約化養(yǎng)殖場產(chǎn)生的糞便，具有產(chǎn)生量大、含水量高和干燥困難等特點，必須對其進行轉(zhuǎn)化，才可作為燃料。倪茹［5］對呼和浩特地區(qū)土默特左旗及和林格爾縣的3個規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場糞污排放特征及處理模式進行研究，主要利用資源型和能源型2種模式對養(yǎng)殖糞污進行處理，結果顯示，資源型工藝改進后使出水水質(zhì)達到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》。韓磊等［6］研究結果表明，當牛糞和煤混合比例小于4∶6時可制成蜂窩煤，其含硫量明顯低于原煤，這既解決了燃煤的能源短缺問題，又減輕了燃燒化石能源對環(huán)境造成的污染問題，而且也是對牛糞生物質(zhì)利用的新嘗試。

牛糞也可以經(jīng)過乙醇化、氫氣化以及沼氣化轉(zhuǎn)化為清潔能源［7］。李文哲等［8］研究餐廚廢棄物與牛糞混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫最佳條件，結果表明，當餐廚廢棄物濃度為80 g·L-1時，揮發(fā)性固體產(chǎn)氫率最大值達到31.05 mL·g-1，累積產(chǎn)氫量為672 mL。對牛糞進行單獨產(chǎn)氫發(fā)酵和產(chǎn)甲烷發(fā)酵都存在能源轉(zhuǎn)換效率低這一問題，楊斌等［9］以牛糞為原料，進行產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷聯(lián)合發(fā)酵的研究，結果顯示，牛糞產(chǎn)氫產(chǎn)甲烷聯(lián)合發(fā)酵的能源轉(zhuǎn)換效率明顯高于牛糞單獨產(chǎn)氫發(fā)酵以及牛糞單獨產(chǎn)甲烷發(fā)酵。王毅等［10］研究了光合細菌混合菌群利用牛糞污水產(chǎn)氫性能，結果表明，從活性污泥中利用選擇性培養(yǎng)基富集出的光合細菌混合菌群生長快速、穩(wěn)定，生長條件和產(chǎn)氫條件都比純種細菌要求低，混合菌群以牛糞污水為原料產(chǎn)氫時，平均產(chǎn)氫速率達到11.65 mL·L-1·h-1。

牛糞早期主要被直接作為燃料來供應家庭取暖和燒飯燒菜之用。目前，主要通過沼氣發(fā)酵等能源化模式解決牛場糞污污染以及能源緊缺問題，提高經(jīng)濟利用價值。

1.2 肥料化利用 有機肥在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史中占有重要地位［11］，牛糞在傳統(tǒng)農(nóng)耕中堆肥利用比較廣泛。陳強［12］在種植玉米過程中加倍施用化肥、雞糞、豬糞和牛糞等肥料時發(fā)現(xiàn)，加倍施用牛糞時的玉米穗粒數(shù)明顯高于常規(guī)施用牛糞處理的穗粒數(shù)。彭宇等［13］探討了甘蔗渣與牛糞的資源化利用技術，結果表明，甘蔗渣與牛糞干重配比以5∶5或6∶4較適宜，能提高有機肥的速效性和安全性。徐小玲［14］利用微生物菌-如金益生菌對養(yǎng)殖場牛糞廢棄物進行堆肥化處理，生產(chǎn)有機肥，其中，蛔蟲卵死亡率以及糞大腸菌群數(shù)均符合技術要求。張玉鳳等［15］采用槽式堆肥方法篩選出適合牛糞和秸稈混合物快速發(fā)酵的微生物菌劑。郭二果等［16］以呼和浩特市土默特左旗某牧場為例，通過為期一年的實地調(diào)研和監(jiān)測研究規(guī)模化奶牛養(yǎng)殖場氧化塘工藝糞污削減情況，氧化塘處理后液體肥和固體堆肥還田、回沖牛舍和墊料方式在系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)等進行調(diào)節(jié)化學需氧量（COD）和氨氮濃度，效果良好。謝晶晶［17］通過調(diào)節(jié)對牛糞堆肥不同溫度和通氣等關鍵參數(shù)，優(yōu)化了牛糞發(fā)酵的最佳工藝，為奶牛糞便的處理尋找到了新的出路。肖慶禮等［18］研究了牛糞有機肥對西南山區(qū)植煙黃壤的改良效果，結果顯示，牛糞有機肥可明顯改善植煙黃壤的理化性質(zhì)和持水性能。謝志煌等［19］探究了分別施用化肥與牛糞有機肥對大豆營養(yǎng)品質(zhì)的影響，結果表明，增施有機肥對營養(yǎng)品質(zhì)的形成有促進作用，可能是由于有機肥能夠提高土壤養(yǎng)分含量及其有效性，協(xié)調(diào)作物的碳氮代謝，從而改善大豆的營養(yǎng)品質(zhì)。

牛糞中含有豐富的有機質(zhì)以及微生物，因此，通過堆肥法可有效提高牛糞的資源化利用率，并對土壤進行有效改良，從而能夠提高種植作物的品質(zhì)與產(chǎn)量。

1.3 食用菌種植 食用菌不僅味道鮮美，而且富含麥角甾醇、維生素、甾體和多糖體等有機化合物，其中，有些可以制成保健品和抗腫瘤藥物。在牛糞中加入含碳量較高的稻草或者秸稈調(diào)節(jié)C/N比，再添加適當?shù)臒o機肥料和石膏等，堆制后可作培養(yǎng)基栽培食用菌［20］。廖志勇等［21］利用純牛糞在阿壩牧區(qū)栽培雙孢蘑菇，提高了牛糞的利用率。楊立賓等［22］采用牛糞與不同的農(nóng)作物秸稈在黑龍江墾區(qū)農(nóng)田防護林下栽培雙孢蘑菇，結果表明，牛糞與稻草、小麥秸稈配方相比牛糞與豆秸、玉米秸和玉米芯配方具有較高的產(chǎn)量和較好的品質(zhì)以及經(jīng)濟效益。鄒漢彬［23］進行了全牛糞無草栽培雙孢蘑菇試驗，結果表明，雙孢蘑菇全牛糞無草栽培技術具有省時、省工的優(yōu)點，可降低生產(chǎn)成本，栽培利潤是常規(guī)稻草牛糞栽培模式的2倍。

利用牛糞和秸稈栽培食用菌不僅可對牛糞、秸稈等廢棄物進行無害化和資源化處理，還生產(chǎn)出具有較高營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值的食用菌，栽培后的培養(yǎng)料還可還田或者做飼料，從而使資源得到多層次循環(huán)利用。牛糞與其他生物質(zhì)混合堆制成肥料種植食用菌能夠降低生產(chǎn)成本，提高食用菌的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可提升牛糞的資源化利用率，能夠達到環(huán)保和經(jīng)濟效益的雙重目標。

1.4 牛糞基生物炭的利用 牛糞是一種可再生生物質(zhì)原料。近年來，前人對牛糞進行熱化學處理制成生物炭，發(fā)現(xiàn)牛糞生物炭與其他生物炭一樣，具有高度芳香化結構，含有大量-OH、-COOH和-C=O，并且具有較大的比表面積［24］。由于來源和炭化溫度的不同，牛糞生物炭結構和理化性質(zhì)表現(xiàn)出較大差異（表1）［25］。牛糞生物炭的結構特點使其對水體和土壤中的污染物具有較好的去除效果，因而逐漸成為新的研究熱點［26］。

表1 不同原料和熱解條件下制備的生物炭的主要特性Tab.1 Typical characteristics of biochar prepared under different feedstocks and pyrolysis conditions

牛糞生物炭的比表面積大，對廢水中污染物吸附能力強。AHMAD等［27］研究了牛糞生物炭、稻殼生物炭和污泥生物炭對亞甲基藍染料（MB）的吸附行為，發(fā)現(xiàn)牛糞生物炭對MB的吸附能力最強。呂敏等［28］研究了牛糞生物炭吸附NH4+的動力學和熱力學行為，結果顯示，牛糞生物炭對NH4+的吸附能力不隨炭化溫度的升高而單調(diào)遞增，400℃熱解炭化的牛糞生物炭吸附能力最強，平衡吸附量達到2.25 mg·g-1。劉劍楠等［29］研究了牛糞和核桃殼生物炭對水溶液中Cd2+和Zn2+的吸附研究，結果顯示，牛糞生物炭比核桃殼生物炭吸附效果好，700℃制備的牛糞生物炭對Cd2+和Zn2+的吸附性能最佳，飽和吸附量分別為117.5 mg·g-1和59.4 mg·g-1。DAS等［30］研究了牛糞生物炭對水體中Cr（VI）的去除效果，在pH＜3.5、Cr（VI）濃度為5 ppm的條件下，牛糞生物炭可以去除90%的Cr（VI）。

牛糞生物炭不僅用于廢水處理，還可用于土壤污染治理與修復。林靜雯等［31］研究了牛糞生物炭對蔬菜大棚土壤性能影響，發(fā)現(xiàn)施用牛糞生物炭明顯改善了土壤理化性質(zhì)，提高了化肥利用率，促進了蔬菜生長。王丹丹等［32］研究了牛糞生物炭對重金屬鎘污染土壤的鈍化修復作用，結果表明，高溫700℃制備的生物炭效果好于低溫300℃，當2種牛糞生物炭添加量為10 g·kg-1時處理效果最佳，土壤pH值升高了0.2和0.1，土壤鎘含量升高了42.20%和21.84%，供試作物中鎘含量降低了71.59%和51.22%，酸可提取態(tài)鎘降低了21.69%和22.89%，殘渣態(tài)鎘含量升高了51.59%和77.71%。

牛糞轉(zhuǎn)化為生物炭是牛糞資源化利用的重要舉措。因此，對牛糞生物炭進行合理改性與廢水處理中應用探索是糞污再利用及其相關前沿領域的研究熱點，也是未來多學科交叉融合的重要發(fā)展方向之一。

2 奶牛養(yǎng)殖業(yè)廢水處理

奶牛養(yǎng)殖業(yè)廢水的直接排放對環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)造成直接或間接影響。奶牛養(yǎng)殖業(yè)廢水的主要來源有奶牛排泄的尿，牛舍沖洗廢水和生活污水。解決奶牛養(yǎng)殖業(yè)廢水的有效處理是推進畜牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展與促進環(huán)境生態(tài)良性循環(huán)的重要舉措。

2.1 還田利用與自然處理 奶牛養(yǎng)殖廢水還田利用即對廢水進行簡單過濾處理后進行農(nóng)田灌溉，可實現(xiàn)種養(yǎng)結合的模式。這種廢水處理方式投資少、工藝簡單，但需要大量土地消納，一旦超過土地承載量，就會產(chǎn)生污染，破壞土壤。

奶牛養(yǎng)殖廢水的自然處理也需要較大的土地面積，并受氣候、溫度變化和季節(jié)的影響，常用的自然處理法有氧化塘和人工濕地處理法等，適用于養(yǎng)殖廢水和生活污水的深度處理。目前，我國南方地區(qū)主要利用自然處理方法治理污水，對污染物COD、生化需氧量（BOD）的去除率冬夏均達到70%以上［33］。

2.2 工業(yè)處理 目前，奶牛養(yǎng)殖業(yè)廢水工業(yè)化處理中主要有厭氧處理工藝、厭氧-好氧組合工藝、好氧處理工藝等。厭氧工藝中完全混合式厭氧處理工藝（CSTR）和升流式固體厭氧反應器（USR）在養(yǎng)殖廢水中的研究較普遍，BOE等［34］的研究表明，糞便（底物）和水力停留時間相同情況下串聯(lián)模式的2個CSTR反應器處理效率比單反應器處理高出11%。BOE等［35］研究了后硝化溫度（55℃、37℃和15℃）對CSTR系統(tǒng)性能的影響，結果表明，在55℃下運行的后硝化池具有最高的沼氣產(chǎn)量?；茨鲜械奶祉樕鷳B(tài)養(yǎng)殖有限公司采用厭氧折流板反應器（CSTR-ABR）工藝處理糞污的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，年處理糞便污水約2.1×104t，年可生產(chǎn)沼氣約5.5×104m3［36］。陳亮等［37］采用水解酸化-USR-活性污泥工藝處理湖南某牧場奶牛養(yǎng)殖場廢水，證明了USR處理工藝對奶牛場廢水處理運行穩(wěn)定且效果好。李強［38］采用以升流式厭氧固體反應器（USR）處理裝置與單燃料發(fā)電系統(tǒng)合理組合的先進工藝，形成牛糞、尿、污水厭氧消化產(chǎn)沼氣，沼氣發(fā)電，沼渣沼液制肥灌溉的一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)糞污轉(zhuǎn)化成可利用能源的典型例子。熊鴻斌等［39］采用USR+兩級厭氧-好氧工藝（A/O）組合工藝處理奶牛養(yǎng)殖廢水，出水水質(zhì)穩(wěn)定達到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》，并優(yōu)于《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》（GB 18596-2001）。康濤等［40］采用USR-膜生物反應器（MBR）解決養(yǎng)殖廢水的處理問題，這項工藝有著運行穩(wěn)定、占地面積小等優(yōu)點，同時出水水質(zhì)經(jīng)過檢測可達到《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標準》。

好氧處理工藝中有序批式反應器（SBR）、A/O和好氧階段及MBR等工藝的研究較多。MASOUDI等［41］研究了2種SBR處理牛糞滲濾液的性能，結果表明，最佳工藝條件為pH 7.67、循環(huán)時間（TC）19.15 h，COD和NH4+-N比10.95和醋酸鈉為碳源，COD、NH4+-N和總氮去除率分別可達94.96%、94.93%和93.60%。HU等［42］研究空氣流量對SBR性能的影響，探索了SBR在有限曝氣或低溶解氧（DO）條件下的運行特性及其效果。張翔等［43］采用改進SBR法對奶牛場糞便廢水進行處理，發(fā)現(xiàn)一定條件下SBR系統(tǒng)運行穩(wěn)定，CODCr、TKN和NH4+-N去除率分別在80%、70%和85%以上。陳乾等［44］評估了天津市規(guī)?；膛ｐB(yǎng)殖場厭氧-缺氧-好氧（AAO）處理工藝以及AO處理工藝對奶牛養(yǎng)殖廢水處理前后典型抗生素的濃度水平及處理效果，結果表明，AAO的綜合處理效果優(yōu)于AO處理工藝。張寅丞等［45］利用移動床生物膜反應器（MBBR）工藝處理奶牛場廢水，結果表明，MBBR工藝對NH4+-N、TN和COD的去除率分別為98.04%、62.38%和75.18%，可以有效地處理干清糞條件下的奶牛場廢水，適應性強且效果穩(wěn)定可靠。

隨著養(yǎng)殖廢水處理技術的發(fā)展，有學者進行了厭氧處理工藝、厭氧-好氧組合工藝、好氧處理工藝等相關研究，發(fā)現(xiàn)USR-兩級A/O組合對奶牛養(yǎng)殖場廢水處理效果良好［46］。

3 總結與展望

牛糞是奶牛養(yǎng)殖過程中產(chǎn)出量較大的一種污染物，大規(guī)模養(yǎng)殖會對環(huán)境和公共衛(wèi)生安全帶來威脅。對牛糞的能源化、肥料化和制成生物炭的資源化利用，既能消納養(yǎng)殖污染物，還可以變廢為寶，是一種對環(huán)境和經(jīng)濟具有雙重效益的處理策略。牛糞的資源化利用與養(yǎng)殖廢水的科學處理對建設環(huán)境友好型、資源節(jié)約型經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起到非常重要的角色。筆者綜述了牛糞的能源化、肥料化、食用菌種植利用和牛糞基生物炭利用方法，闡明了USR-兩級A/O組合工藝、SBR、A/O工藝、水解酸化-USR-活性污泥工藝和完全混合式厭氧處理工藝在養(yǎng)殖廢水處理中的應用?？傮w而言，糞污資源化再利用及廢水的科學治理是奶牛養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護的重要舉措。目前，對牛糞的能源化、肥料化新產(chǎn)品和牛糞基生物炭復合材料的研發(fā)應用方面較薄弱：（1）牛糞的能源化利用主要采用與其他煤渣等材料混合的小規(guī)模試驗形式研究，故迫切需要打破直接使用燃料的傳統(tǒng)思路，創(chuàng)新性地開展新型燃料的開發(fā)利用項目；（2）農(nóng)牧區(qū)牛糞的肥料化利用主要是傳統(tǒng)的簡單發(fā)酵還田改良土壤，因此，針對不同性質(zhì)土壤的牛糞基新型肥料產(chǎn)品研發(fā)與應用需要進一步拓展；（3）牛糞生物炭主要對廢水中有機污染物吸附研究較多，對牛糞基生物炭的復合改性研究較少，亟需探索生物炭改性新型復合材料在廢水處理中的應用技術，達到“以廢治廢”目的。